國產(chǎn)化碳纖維正在悄然崛起。

10月10日，我國首個萬噸級48K大絲束碳纖維工程第一套國產(chǎn)線在中國石化上海石化碳纖維產(chǎn)業(yè)基地投料開車，并生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。產(chǎn)品性能媲美國外同級別產(chǎn)品，質(zhì)量達到國際先進水平。這標志中國石化大絲束碳纖維從關鍵技術(shù)突破、工業(yè)試生產(chǎn)、產(chǎn)業(yè)化成功走向規(guī)模化和關鍵裝備國產(chǎn)化，一舉破除我國碳纖維生產(chǎn)和裝備受制于人的被動局面，真正實現(xiàn)自主可控。

碳纖維地位之“重”

碳纖維是由聚丙烯腈等有機纖維在高溫的惰性氣體氛圍中經(jīng)氧化碳化后制成的，含碳量在90%以上的無機高分子纖維，是目前可以獲得的最輕的無機材料之一。碳纖維在可量產(chǎn)纖維材料中性能最佳，是目前工程上可以大規(guī)模應用的比強度最高的材料，其具有優(yōu)異的物理、化學性能，被稱為21世紀的“黑色黃金”。

碳纖維是最重要的無機高性能纖維，這點是由其材料本性、產(chǎn)業(yè)技術(shù)復雜性、應用領域重要性和市場規(guī)模性等因素決定的，其首個市場化應用是1972年市售的碳纖維增強樹脂釣魚竿。此后，碳纖維應用快速向以航空航天器主結(jié)構(gòu)材料為代表的高端化發(fā)展。碳纖維最主要的應用形式是作為樹脂材料的增強體，所形成的碳纖維增強樹脂（CFRP）具有優(yōu)異的綜合性能，其在航空器、軌道交通車輛、風電葉片、燃料電池等眾多領域有著實際和潛在的應用。

碳纖維是現(xiàn)代宇航工業(yè)的物質(zhì)基礎，具有不可替代性。CFRP被廣泛應用于導彈武器、空間平臺和運載火箭等航天領域。在大型先進飛機中，CFRP被廣泛用作主承力結(jié)構(gòu)材料。此外，CFRP是制造大型葉片的關鍵材料，其可彌補玻璃纖維復合材料（GFRP）的性能不足。

對于氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)而言，碳纖維的存在直接關乎到國產(chǎn)化進程的速率。燃料電池氣體擴散層受原料碳纖維的制約，國內(nèi)市場一直嚴重依賴進口。另外就是儲氫瓶的技術(shù)突破，高性能纖維是全纏繞纖維增強復合壓力容器的主要增強體。車用高壓Ш型氫氣瓶（金屬內(nèi)膽全纏繞）的材料成本中，近70%為增強纖維，其余約30%為內(nèi)膽和其他材料。

碳纖維技術(shù)之“難”

國內(nèi)氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)正面臨國產(chǎn)化替代的艱難困境。而碳纖維技術(shù)的兩大難題便是燃料電池核心零部件和高壓儲氫瓶。

碳纖維紙作為一種高性能復合材料，是制造燃料電池質(zhì)子交換膜電極中氣體擴散層必不可少的多孔擴散材料。氣體擴散層（GDL）構(gòu)成氣體從流動槽擴散到催化劑層的通道，是燃料電池的心臟，是膜電極組（MEA）中非常重要的支撐材料，其主要功能是作為連接膜電極組和石墨板的橋梁。

氣體擴散層可幫助催化劑層外部生成的副產(chǎn)品——水盡快流走，避免積水造成溢流；還可幫助在膜的表面保持一定水份，確保膜的導電率；燃料電池運行過程中，幫助維持熱傳導；此外，提供足夠的力學強度，在吸水擴展時保持膜電極組的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

在質(zhì)子交換膜燃料電池和直接甲醇燃料電池中，同時使用碳纖維紙和碳纖維布作為氣體擴散層的綜合效果更好。每輛燃料電池電動汽車約需消耗碳纖維紙100 m2（即8 kg）。

儲氫瓶生產(chǎn)流程可大致分為內(nèi)膽成型和纖維纏繞兩個環(huán)節(jié)，總體來看技術(shù)難度較大、工藝參數(shù)眾多、關鍵原材料及裝備仍部分依賴進口、精細化生產(chǎn)管理有待提升，存在一定的技術(shù)壁壘。儲氫瓶當前成本較高，單瓶售價在 2 萬以上，其成本構(gòu)成中碳纖維復合材料占比超 60%。當下國內(nèi)儲氫瓶所用原材料主要為 T700 以上小絲束碳纖維，未來若能逐步替換為大絲束碳纖維（國外普遍做法），則有望推動氣瓶成本進一步降低。

鋁內(nèi)膽纖維纏繞瓶（III型）內(nèi)膽為金屬（通常為鋁合金），但厚度較 II 型瓶有減薄，外部進行了全瓶身的碳纖維復合材料纏繞，包裹形式為兩極鋪設或螺旋形鋪設。III 型瓶重量輕、抗壓性能好、適用于氫燃料電池汽車等移動設備，目前主要的壓力規(guī)格為 35MPa 和 70MPa 兩種，國內(nèi)現(xiàn)階段 35MPa 已實現(xiàn)量產(chǎn)。

儲氫瓶剖面圖-碳纖維復合材料

塑料內(nèi)膽纖維纏繞瓶（IV 型）內(nèi)膽為塑料，瓶身全纏繞碳纖維復合材料，包裹采用兩極鋪設和螺旋形鋪設混合的形式。IV 型瓶瓶壁厚度略薄于 III 型瓶，儲氣壓力則與之一致，主要包括 35MPa和 70MPa 兩種規(guī)格型號，目前國外已投入商業(yè)化運用，如日本豐田的 Mirai 與韓國現(xiàn)代的 Nexo 均采用了 IV 型瓶，但國內(nèi)技術(shù)仍有欠缺，尚未達到量產(chǎn)條件。IV 型瓶也主要應用于氫燃料車等移動場景。

碳纖維供求之“艱”

我國碳纖維市場正處于嚴重的供不應求狀態(tài)。數(shù)據(jù)顯示，2021年中國碳纖維產(chǎn)量達2.43萬噸，預計2022年我國碳纖維產(chǎn)能及產(chǎn)量可達2.77萬噸。未來碳纖維需求未來或?qū)⒊掷m(xù)處于高速增長期，預計2025年全球碳纖維消費量將達到20.0萬噸，增長驅(qū)動力主要來自于風電葉片、航空航天等。

當前我國國內(nèi)主要的碳纖維（及原絲）制造商為吉林碳谷、吉林寶旌、中復神鷹、江蘇恒神、光威復材、蘭州藍星和上海石化等。其中，吉林碳谷以原絲生產(chǎn)為主；吉林寶旌和蘭州藍星以大絲束碳纖維生產(chǎn)為主，江蘇恒神和蘭州藍星兼?zhèn)湓z生產(chǎn)和碳纖維生產(chǎn)能力；其他公司產(chǎn)能主要集中在高性能碳和小絲束碳纖維。

東麗是全球碳纖維行業(yè)的領軍企業(yè)，是最早實現(xiàn)碳纖維工業(yè)化生產(chǎn)的公司。其各種型號的產(chǎn)品，如T300、T800等，產(chǎn)品名稱已成為行業(yè)標準，全球各公司生產(chǎn)的碳纖維產(chǎn)品均以此來標注性能。根據(jù)2020年數(shù)據(jù)，東麗在碳纖維整體市場的占有率達到42%，其中小絲束碳纖維占比17%，大絲束占比25%；若將小絲束及大絲束市場分開來看，東麗在小絲束市場的占有率為33%，大絲束市場占有率則達到51%。無論以整體市場還是以分市場來看，東麗市占率均為全球第一。

光威復材為民營碳纖維全產(chǎn)業(yè)鏈龍頭，具備碳纖維生產(chǎn)線及關鍵設備、預浸料生產(chǎn)線以及復合材料成型設備等自主設計與制造能力，主要產(chǎn)品包括碳纖維及織物、預浸料、碳梁等，軍品方面光威復材具有日本東麗性能相當?shù)奶祭w維產(chǎn)品，民品方面以碳梁為主，占維斯塔斯份額約30%。目前光威復材正在擴充碳纖維與碳梁產(chǎn)能，有望在需求高景氣中進一步成長。

中復神鷹屬于中國建材集團，以民品3K至24K小絲束碳纖維生產(chǎn)銷售為主，2020年國內(nèi)碳纖維產(chǎn)量國內(nèi)占比達20.98%，位居第二。公司碳纖維生產(chǎn)設備主要向關聯(lián)方江蘇鷹游定制采購，采用提出核心設備工藝技術(shù)要求，鷹游集團進行裝備設計制造的模式。2013年，公司在國內(nèi)率先突破了千噸級碳纖維原絲干噴濕紡工業(yè)化制造技術(shù)，建成了國內(nèi)首條千噸級干噴濕紡碳纖維產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線，并放棄了濕法T300碳纖維生產(chǎn)路線，目前已實現(xiàn)了干噴濕紡400米/分鐘產(chǎn)業(yè)化。公司碳纖維產(chǎn)品涵蓋了高強型、高強中模型、高強高模型等，已基本實現(xiàn)對行業(yè)龍頭日本東麗的主要碳纖維產(chǎn)品的對標。

去年上半年，國內(nèi)氫燃料電池市場迅速爆發(fā)。但受疫情影響，全球貿(mào)易被極大沖擊，國外企業(yè)交付能力跟不上國內(nèi)需求，而全球市場也正在積極擴張，碳纖維需求不斷上升，但是國外進出口卻受到極大影響。

隨著碳纖維生產(chǎn)企業(yè)不斷在高性能碳纖維領域取得技術(shù)突破，我國碳纖維的進口替代步伐有望進一步加速。“十四五”期間，我國碳纖維及原絲的產(chǎn)能正在快速擴張。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國已規(guī)劃及在建的碳纖維產(chǎn)能共計14.07萬噸/年，數(shù)量十分可觀，我國碳纖維產(chǎn)能正逐步擴張，國產(chǎn)替代道路光明。

10月15日，吉林化纖集團15萬噸原絲項目一期5萬噸實現(xiàn)開車達產(chǎn)。技術(shù)創(chuàng)新促進資源效率充分釋放，15萬噸原絲項目一期5萬噸的開車達產(chǎn)，標志著吉林化纖在全面掌握大絲束“卡脖子”關鍵技術(shù)的同時，將帶動風電葉片、高壓氣瓶纏繞、預浸料等領域生產(chǎn)效率提高40%，生產(chǎn)成本大幅降低，使國產(chǎn)化自主制造、大絲束工藝創(chuàng)新升級、下游有效應用的碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈在補鏈、延鏈、強鏈中提升產(chǎn)業(yè)價值，預計到今年年底吉林化纖碳纖維原絲產(chǎn)能將達到16萬噸 。

中國碳纖維市場規(guī)模一直保持增長趨勢，從2016年的4.82億美元增長至2021年的15.88億美元，年均復合增長率達26.9%。2020年底國家提出的“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略，對碳纖維產(chǎn)業(yè)將有深遠的影響，新的能源戰(zhàn)略將極大刺激風電、光伏、氫能等再生或新能源的發(fā)展。隨著下游各應用領域的不斷發(fā)展壯大，我國碳纖維市場規(guī)模將進一步增長。

作為不可或缺的高性能材料，碳纖維市場前景十分光明。面臨國內(nèi)對碳纖維的需求與日俱增的局面，加速國產(chǎn)化替代刻不容緩。